Cây trồng tự bảo vệ chống lại bệnh nấm bằng cách nào?

Các rào cản vật lý và hóa chất thực vật liên quan đến khả năng kháng nấm bệnh của cây trồng làm vườn. Nguồn: Đại học Nông nghiệp Nam Kinh.

Gần đây, các nhà khoa học từ Học viện Khoa học Trung Quốc đã tổng kết những tiến bộ nghiên cứu gần đây về các phản ứng phòng vệ của cây trồng đối với nấm bệnh và các chiến lược mới để điều chỉnh sự cảm ứng tính kháng của cây trồng, cũng như các vấn đề, thách thức và hướng nghiên cứu trong tương lai.

Các hóa chất thực vật (phytochemical) có tác dụng kháng khuẩn là thành phần quan trọng của hệ thống phòng thủ trong thực vật. Trong số các hóa chất thực vật như vậy, phytoalexin được tạo ra bởi các yếu tố bên ngoài, trong khi phytoanticipin phát sinh tự nhiên hoặc tăng lên sau khi cảm ứng. Các chất hóa chất thực vật kháng khuẩn được phân loại theo cấu trúc hóa học của chúng và chủ yếu là phenol, flavonoid, coumarin, lignin, terpenoit, alkaloid, glucosinolate và stilbenes. Phenolics và flavonoid là các chất chuyển hóa thứ cấp tạo thành một trong những nhóm chất hóa thực vật phổ biến và rộng rãi nhất. Các hợp chất này ức chế mầm bệnh bằng cách gây ra quá trình peroxy hóa lipid màng, làm gián đoạn tính thấm của màng tế bào nấm và chức năng của ty thể. Tương tự, terpenoit ức chế sự phát triển của nấm và cũng gây ra khả năng kháng bệnh. Các hóa chất thực vật khác cũng thể hiện hoạt tính kháng nấm với phổ rộng ổn định và mạnh mẽ, cho thấy chúng có thể được phát triển như những lựa chọn thay thế cho thuốc diệt nấm hóa học.

Khi nấm bệnh xâm nhập vào các rào cản vật lý bằng cách sửa đổi hoặc làm suy giảm thành tế bào vật chủ, các thụ thể nhận dạng mẫu (PRR) có thể nhận ra các mẫu phân tử liên quan đến tổn thương được bảo tồn (DAMP) từ thực vật hoặc các mẫu phân tử liên quan đến mầm bệnh (PAMP) và kích hoạt miễn dịch hoạt động theo mẫu (PTI). Nấm bệnh có thể tiết ra các yếu tố tác động hoặc độc lực, có thể được nhận biết bằng các protein lặp lại liên kết nucleotide và giàu leucine (NB-LRR hoặc NLR) và các protein kháng thực vật (R) khác. Việc nhận biết như vậy có thể dẫn đến khả năng miễn dịch kích hoạt tác dụng (ETI) hơn nữa, được coi là phản ứng PTI được tăng tốc và khuếch đại. Một số lượng khác nhau các gen NB-LRR biểu hiện các kiểu tiến hóa đặc biệt giữa các loài thực vật. Cho đến nay, chỉ có một số gen NB-LRR được xác nhận là có chức năng phản ứng với nấm bệnh. Khám phá chuyên sâu hơn về NB-LRRs tiềm năng và cơ chế hoạt động của chúng có thể làm phong phú đáng kể nguồn lực của chúng ta để chống lại nấm bệnh.

Để ngăn chặn sự xâm nhập của nấm bệnh, thực vật đã phát triển một loạt các phản ứng bao gồm phản ứng quá mẫn cảm (HR), biến đổi thành tế bào, đóng khí khổng, lắng đọng callose, sản xuất phytoalexin và phân hủy độc tố. Sau khi các phản ứng phòng vệ cục bộ được tạo ra, tín hiệu toàn thân có thể kích hoạt sức đề kháng ở các mô lân cận khác. Cả PTI và ETI đều có thể kích hoạt sản xuất và vận chuyển đường dài các phân tử tín hiệu để tạo ra sức đề kháng tổng thể (SAR) và sức đề kháng do động vật ăn cỏ gây ra (HIR). SAR được trung gian chủ yếu bởi tín hiệu axit salicylic (SA) và ở mức độ thấp hơn bởi axit N-hydroxypipecolic (NHP). Ngược lại với SAR, HIR được điều chế bởi axit jasmonic (JA) và ethylene (ET). Thông qua SA, JA và ET, cả hiệp lực và đối kháng, là phổ biến và quan trọng đối với các phản ứng phòng vệ chống lại nấm bệnh.

Việc lạm dụng các chất diệt nấm và kháng khuẩn truyền thống đã làm tăng khả năng kháng mầm bệnh đối với các hợp chất này và cũng đe dọa đến an toàn thực phẩm và môi trường. Do đó, các chiến lược mới phải được xây dựng để kiểm soát dịch bệnh hiệu quả, đáp ứng yêu cầu phát triển bền vững của ngành nông nghiệp. Các nghiên cứu mới nhất chỉ ra rằng việc kích thích tính kháng nội tại của cây trồng thông qua các yếu tố điều tiết là khả thi và hiệu quả. Việc phát hiện ra siêu RNA đã mang lại những triển vọng mới cho việc bảo hộ cây trồng. Loài nấm hoại sinh B. cinerea có thể tạo ra các RNA nhỏ (sRNA) có chức năng như tác nhân ức chế khả năng miễn dịch của vật chủ. Đến lượt nó, cây ký chủ đưa các sRNA vào B. cinerea thông qua các túi ngoại bào ngăn chặn sự biểu hiện của các gen liên quan đến khả năng gây bệnh. Sự biểu hiện quá mức hoặc đánh sập các sRNA của vật chủ được chuyển giao có thể thúc đẩy hoặc làm giảm sức đề kháng của vật chủ. RNA sợi kép môi trường (dsRNA) có thể được nhiều vi sinh vật nhân chuẩn hấp thụ với hiệu quả khác nhau và việc sử dụng dsRNA tại chỗ với hiệu quả hấp thụ RNA cao có thể ức chế rõ rệt các triệu chứng bệnh thực vật.

Kiểm soát phiên mã của mRNA thông qua việc chỉnh sửa các yếu tố điều tiết có thể là một cách hiệu quả khác để gây ra tính kháng ở cây trồng. Cấu trúc đọc mở ngược dòng (uORFs) có vai trò điều tiết rộng rãi trong việc điều chỉnh quá trình dịch mã mRNA ở sinh vật nhân chuẩn. Hơn nữa, các dòng cây không chuyển gen với các tính trạng được cải thiện dễ dàng thu được bằng CRISPR/Cas9, điều này có ý nghĩa rộng rãi đối với việc cải thiện cây trồng. Bởi vì uORF được tìm thấy nhiều trong mRNA của sinh vật nhân chuẩn, các yếu tố điều tiết này có thể được điều chỉnh để tăng cường khả năng kháng phổ rộng với những tác động bất lợi tối thiểu đến sự phát triển bình thường, về cơ bản thúc đẩy sự cải thiện di truyền của cây trồng.

“Do tầm quan trọng của bệnh nấm trong việc thất thoát trước và sau thu hoạch, chúng tôi đã nhấn mạnh vào sự tương tác giữa mầm bệnh và công nghệ kiểm soát. Hơn nữa, sự phát triển và ứng dụng công nghệ omics đã cung cấp bộ dữ liệu lớn ở nhiều cấp độ, được mở rộng hơn nữa”, giáo sư Tian cho biết.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Horticulture Research.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org